黄土旱塬区平衡施肥下不同土壤耕作模式的蓄水纳墒及作物增产增收效应研究

王玉玲, 李 军

(1西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100; 2河南科技学院生命科技学院，河南新乡 453003)



黄土旱塬区平衡施肥下不同土壤耕作模式的蓄水纳墒及作物增产增收效应研究

王玉玲1，2, 李 军1*

(1西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100; 2河南科技学院生命科技学院，河南新乡 453003)

鉴此，本研究选择黄土高原中南部旱塬区—陕西省合阳县一年一熟旱作冬小麦→春玉米轮作田，以连续翻耕、 连续深松和连续免耕为对照，将免耕、 深松、 翻耕3种耕作措施组成4种土壤轮耕模式进行定位试验，着重探讨不同土壤耕作模式对休闲期和作物生育期0—200cm土层土壤水分状况、 作物产量及经济效益的影响，旨在为黄土旱塬区建立合理的与一定肥力水平下轮作体系相配套的土壤耕作模式提供理论依据。

1　材料与方法

1.1试验地概况

表1　试验区20072011年月降水量(mm)Table 1　Monthly precipitation in 2007-2011 at experiment site

1.2试验设计

施肥处理: 根据陕西省农业厅推荐旱作冬小麦和春玉米平衡施肥方案，冬小麦和春玉米播种时均基施尿素(N46%)150kg/hm2, 磷酸二铵(N18%、P2O545%)120kg/hm2和氯化钾(K2O50%)90kg/hm2，并通过旋耕切碎残茬、 平整地表和混合肥料。冬小麦生育期不追肥，春玉米在大喇叭口期追施尿素150kg/hm2。

表2　20072011年作物轮作与土壤耕作次序Table 2　Sequence of crop cultivation and soil tillage treatments from 2007 to 2011

注(Note):NT—免耕No-tillage;ST—深松Subsoiling;PT—翻耕Ploughing;RT1—年际间翻耕与免耕轮流进行PTandNTrotation;RT2—深松与翻耕逐年轮耕STandPTrotation;RT3—免耕与深松逐年进行轮耕NTandSTrotation;RT4—免耕、 翻耕和深松依次逐年进行轮耕，实施夏闲期和冬闲期土壤轮耕试验NT,PTandSTrotation,summerandwinterfallowinturn.

1.3测定项目与方法

土壤含水量=(湿土重-烘干土重)/烘干土重 × 100%。

1.3.2 土壤贮水量W=h×a×b×10/100[26]式中，W为土壤贮水量(mm)，h为土层深度(cm)，a为地段实测土壤容重(g/cm3)，b为土壤含水率(%)。1.3.3 作物生育期间总耗水量(ET)

ET=(p+I)-ΔS[27]式中，ET为生育期间总耗水量(mm)，p为作物生育期降水量(mm)，ΔS为收获期与播种期0—200cm土壤贮水量之差; 因试验地地势平坦，地下水位深，旱地无灌溉，故I可以忽略不计。

1.3.4 水分利用效率计算WUE=Y/ET[28]

式中，WUE为水分利用效率[kg/(hm2·mm)]，Y为单位面积籽粒产量(kg/hm2)。

1.3.5 作物产量在作物成熟后，冬小麦每小区选3个点，每点3m2，共取9m2，脱粒、 晒干，称重计产; 春玉米每小区选3个点，每点取20株，共取60株，脱粒，晒干，称重计产。

1.3.6 经济效益经济效益以单位耕地面积的纯收益表示。

纯收益(yuan/hm2)= 总产值(yuan/hm2)- 总成本(yuan/hm2)。

其中, 总产值(yuan/hm2)=总籽粒产量(kg/hm2)×市场价格(yuan/kg);

总成本(yuan/hm2)=物质费用(yuan/hm2)+劳动报酬(yuan/hm2)。

总成本包括耕作、 播种等机械费和化肥、 种子、 农药等费用。

1.4数据处理

采用SAS8.01数据处理软件对数据进行方差(ANOVA)分析，并采用LSD法进行显著性检验(P<0.05)。

2　结果与分析

2.1不同耕作模式对休闲期土壤水分的影响

图1　休闲期不同耕作模式0—200 cm土层土壤贮水量Fig.1　Water storage of 0-200 cm soil layers during fallow period under different tillage patterns

2008年夏闲末较夏闲初0—200cm土层土壤贮水量的增加量，RT2处理较CK1、CK3分别高42.1mm、 16.7mm，RT3处理分别高50.8mm、 25.4mm，RT1处理高于CK1，而RT4处理均低于 3种对照，且上述各项差异均达到显著水平(P<0.05)。2010年夏闲末较夏闲初0—200cm土层土壤贮水量的增加量，以RT2、RT3和RT4处理较高，较CK1和CK3分别高23.7mm、 29.5mm、 27.2mm和13.9mm、 19.7mm、 17.4mm，差异达显著水平(P<0.05)。

综合两年试验结果，每一年夏闲期末0—200cm土层土壤贮水量均以RT3蓄水保墒效果最好，2年平均较CK1和CK3多蓄水75.9mm和43.3mm，较CK2无差异。整个休闲期土壤贮水量，也以RT3最高，其次是RT2和RT4，RT1最低。与对照组相比，4种轮耕模式均高于CK1;RT3与CK2差异不显著，而其他3种轮耕模式均有所降低;RT3高于CK3，其他3种轮耕模式无差异。

从图2的4个时间点看出，不同耕作模式0—200cm土层剖面土壤含水量变化趋势基本一致，且0—80cm土层差异较小，而80cm以下土层差异较大。4个时间点不同轮耕模式0—200cm土层平均土壤含水量均以RT3最高。2008年9月15日(图2a)和2009年4月19日(图2b)的RT1、RT2和RT3处理土壤含水量较CK1均不同程度增加，其中RT3处理土壤含水量在这两个时间点均显著增加(P<0.05); 与CK2、CK3相比，两个时间点的前3种轮耕模式土壤含水量均无显著差异，而RT4处理土壤含水量显著减少。

2010年9月29日(图2c)和2011年4月23日(图2d)的4种轮耕模式0—200cm土层平均土壤含水量较CK1均显著增加(P<0.05);RT2、RT3和RT4处理较CK2差异均不显著;RT2、RT3较CK3均显著增加(P<0.05)。结果表明，两个休闲期0—200cm土层剖面平均土壤含水量因各轮耕模式采取的不同耕作措施而呈现差异性。其中RT3处理，即免耕和深松轮换耕作，加之秸秆覆盖，更有利于增进土壤的蓄水保墒效果。

图2　不同耕作模式0—200 cm土层土壤含水量Fig.2　Water content of 0-200 cm soil layers under different tillage patterns.

2.2不同耕作模式对冬小麦生育期土壤水分的影响

图3　冬小麦生育期内不同耕作模式0—200 cm土层土壤贮水量Fig.3　Water storage of 0—200 cm soil layers during winter wheat growth period under different tillage patterns

[注(Note):BS—播种前Beforesowing;OV—越冬期Over-winteringperiod;EL—拔节期Jointingstage;BO—孕穗期Bootingstage;GF—灌浆期Fillingstage;HR—成熟期Harveststage. 图中观测数据为三个重复的平均值，误差线为标准误差Thedataarethemeanvaluesoftriplicatemeasurementsandtheverticalbarsindicatethestandarderrorsofthreereplicates.]

综上，两个冬小麦生育期4种轮耕模式0—200cm土层土壤贮水量高低差异与当年或上一年所采用的耕作措施有关，其中RT3和CK2处理的平均土壤贮水量相对较高。RT3处理平均土壤贮水量高也可能与其采用的免耕冬小麦生长较差、 产量较低、 水分消耗较少也有很大的关系。2.2.2 冬小麦关键生育时期土壤剖面含水量变化拔节期和灌浆期是冬小麦两个比较关键的需水时期。2008年和2010年冬小麦在拔节期(图4a、c)和灌浆期(图4b、c)不同耕作模式0—200cm土层土壤含水量剖面变化趋势不尽一致，但不同耕作模式在冬小麦同一时期其土壤含水量剖面分布特征基本一致。

2.3不同耕作模式对春玉米生育期土壤水分的影响

2.3.1 春玉米生育期0—200cm土层土壤贮水量变化春玉米生长期正逢雨季，2009年和2011年春玉米生育时期降水量分别为379.2和448.3mm。由于降水量及其季节分布不均匀，春玉米不同生育时期各耕作模式0—200cm土层土壤贮水量变化趋势不尽一致，2009年呈现“升→降→升”趋势，而2011年则呈“降→升”趋势(图5)，同时2个试验年份灌浆期各耕作模式土壤贮水量均达全生育期的最低值。

2009年春玉米生育期， 4种轮耕中除RT1、RT3处理0—200cm平均土壤贮水量较CK1分别显著高(P<0.05)27.6和23.4mm外，其余较对照组均无显著差异。到2011年春玉米生育期0—200cm平均土壤贮水量以RT3最高。4种轮耕较CK1分别显著高(P<0.05)37.5、 22.3、 57.3和49.2mm;RT3较CK2显著高(P<0.05)25.8mm，而RT2较CK3显著低(P<0.05)20.4mm，其余轮耕处理与对照相比均无差异。综合两个春玉米生育期的试验结果，RT3和CK3处理较其他处理增加土壤贮水量效果更明显。

2.3.2 春玉米关键生育时期土壤剖面含水量变化同样，拔节期和灌浆期也分别是春玉米第一个和第二个需水高峰时期。2009年和2011年春玉米拔节期和灌浆期各耕作模式0—200cm土层土壤含水量变化趋势如图6所示。在同一生育阶段，各耕作模式0—200cm土壤含水量分布特征基本一致。

图4　2008和2010年不同耕作模式冬小麦拔节期(a、 c)和灌浆期(b、 d)0—200 cm土层土壤水分含量Fig.4　Water content of 0-200 cm soil at the jointing (a, c) and filling stages (b, d) of winter wheat under different tillage patterns in 2008, 2010

图5　春玉米生育期内不同耕作模式0—200 cm土层土壤贮水量Fig.5　Water storage of 0-200 cm soil layers during spring maize growth period under different tillage patterns

[注(Note):BS—播种前Beforesowing;EL—拔节期Jointingstage;MG—大喇叭口期Mid-growthstage;TA—抽雄期Tasseling;FI—灌浆期Fillingstage;HR—成熟期Harveststage. 图中观测数据为三个重复的平均值，误差线为标准误差Thedataarethemeanvaluesoftriplicatemeasurementsandtheverticalbarsindicatethestandarderrorsofthreereplicates.]

2009年两个春玉米关键生育时期(图6a、b)，0—200cm土层平均土壤含水量均以RT3较高。拔节期，RT1、RT3处理平均土壤含水量较CK1分别高0.8和1.1个百分点，达到显著水平(P<0.05); 除RT4处理外，其余3种轮耕较CK2、CK3差异均不显著。灌浆期，4种轮耕模式平均土壤含水量较CK1分别提高1.0(P<0.05)、 0.8(P<0.05)、 1.1(P<0.05)和0.1个百分点; 与CK2、CK3相比，仅RT4显著偏低(P<0.05)，其余轮耕均无差异。到2011年，4种耕作模式在拔节期(图6c)0—200cm土层平均土壤含水量均显著高于(P<0.05)CK1; 与CK2、CK3相比，RT1、RT2和RT3处理差异均不显著，而RT4处理分别高0.7和0.9(P<0.05)个百分点。灌浆期(图6d)，与CK1平均土壤含水量相比，除了RT2处理，其他处理均显著偏高(P<0.05); 与CK2相比，RT3和RT4平均土壤含水量显著高(P<0.05); 和CK3相比，除了RT2平均土壤含水量显著偏低(P<0.05)外，其余均无差异。综合两个春玉米关键生育时期的试验结果，RT3和CK3比其他耕作模式土壤含水量较高。

2.4不同耕作模式对作物籽粒产量及水分利用效率的影响

在冬小麦-春玉米轮作田，不同耕作模式作物籽粒产量和水分利用效率(WUE)表现出显著差异(P<0.05)(表3)。

不论是冬小麦，还是春玉米，不同年份4种轮耕模式中均以当年采用的深松处理籽粒产量和水分利用效率(WUE)最高，翻耕次之，免耕最低。4年7种耕作模式相同耕作措施平均，深松和翻耕较免耕分别增加作物籽粒产量15.3%和8.3%，水分利用率显著提高(P<0.05)12.3%和6.2%。这与不同耕作措施所创造土壤环境条件的优、 劣密切相关。

图6　2009, 2011年春玉米拔节期(a、 c)和灌浆期(b、 d)不同耕作模式0—200 cm土层土壤水分含量Fig.6　Water content of 0-200 cm soil layers at the jointing (a, c) and filling (b, d) stages of spring maize under different tillage patterns in 2009, 2011

而从连续4年的整体效应看，在4种轮耕模式中，作物籽粒产量和水分利用效率4年均以RT2处理最高，且作物籽粒产量较RT1、RT3和RT4分别显著增加(P<0.05)12.0%、 6.4%、 9.6%,水分利用效率分别提高12.4%、 7.3%、 8.5%;RT1、RT3和RT4之间无差异显著性。

表3　不同耕作模式作物籽粒产量与水分利用效率Table 3　Grain yields and water use efficiency (WUE) under different tillage patterns

注(Note):GY—籽粒产量Grainyield(kg/hm2);ET—总耗水量Totalwaterconsumption(mm);WUE—水分利用效率Wateruseefficiency[kg/(hm2·mm)]. 各行不同小写字母间差异显著(P<0.05)Differentlettersinthesamerowsrepresentsignificantdifferenceamongtreatmentsat0.05level(P<0.05).

2.5不同耕作模式对冬小麦和春玉米经济效益的影响

在不同试验年份不同耕作模式的经济效益，因作物产量的高低和各种投入的不同，而表现出显著差异(P < 0.05)(表4)。

从表4看出，不同年份冬小麦和春玉米纯经济收益均与不同耕作模式当年采用耕作措施有关。不同年份不同作物同一耕作措施纯收益平均比较，深松(7041.2元/hm2)和翻耕(5886.5元/hm2)较免耕(5650.0元/hm2)分别增收24.6%(P<0.05)和4.2%。

表4　不同轮耕模式作物生产成本和经济效益Table 4　Cost and economic benefits of crops under different tillage patterns

注(Note):TO—总产值Totaloutput(yuan/hm2);TC—总成本Totalcost(yuan/hm2);RN—纯收益Return(yuan/hm2). 冬小麦以每公斤售价2.1元计，春玉米以每公斤售价1.8元计Thepricesofwinterwheatandspringmaizeare2.1and1.8yuan/kg,respectively. 每公顷机械费用标准如下: 收获和粉碎费用，冬小麦1200元、 春玉米1500元，翻耕费525元，深松费450元、 旋耕费300元，常规播种300元. 每公顷化肥投入: 冬小麦2319元，春玉米3839元(2009年)和3898元(2011年); 其他投入(包括种子、 农药和人工费)，冬小麦合计1140yuan/hm2; 春玉米合计860yuan/hm2。Themechanicalcostperhectare:winterwheatharvestandstraw-returning1200yuan,springmaize1500yuan;ploughing525yuan,sub-soiling450yuan;sowing300yuan.Thefertilizationcostperhectare:winterwheat2319yuan/hm2,springmaize3839yuanin2009and3989yuanin2011;Othercost(seed,farmchemical,labor):Winterwheat1140yuan/hm2,springmaize860yuan/hm2. 各行数据后不同小写字母间差异显著(P<0.05)Differentlettersinthesamerowsrepresentsignificantdifferenceamongtreatmentsat0.05level(P<0.05).

3　讨论与结论

本研究连续4年的定位试验表明，一年一熟冬小麦→春玉米轮作模式下的土壤休闲期及冬小麦生育期0—200cm土壤蓄水保墒效果均以RT3(免耕→深松→免耕→深松)和CK2(深松→深松→深松→深松)为最高; 在春玉米生育期0—200cm土壤蓄水保墒则以RT3和CK3(免耕→免耕→免耕→免耕)模式较好，与CK2无明显差异。因此，RT3在整个的轮耕周期中，比其他耕作模式更有利于蓄纳降水，有效增加土壤贮水量和土壤含水量，具有良好的蓄水保墒效应。这可能与RT3采用的两种耕作措施(免耕和深松)均对土壤的扰动较少有关。RT3模式下的作物产量高于CK3，这可能与连年免耕相比，深松措施能够打破犁底层，使得耕层及耕层以下土壤容重降低，通透性增强，有利于地表水分下渗，促进土壤养分释放，为作物生长发育提供了较好的水分和养分条件。而在RT3模式下，作物秸秆保留在地表，使得地表松弛，其土壤环境受到影响，不利于种子发芽，甚至会产生吊根现象，因此使作物的增产效果也受到一定影响，产量水平显著低于RT2(深松→翻耕→深松→翻耕)，而显著高于CK3，但与其他模式无显著差异。

尽管RT2的蓄水保墒效应略低于RT3，但RT2土壤的增产增收效果优于RT3，这说明深松+翻耕组合可以更好地促进作物增产增收。RT2较对照组增产最高可达17.1%，增收最高可达28.3%，但与CK2增产无显著差异，这也说明RT2土壤环境能较好的促进作物生长发育。因为，RT2既能打破犁底层，促进降水入渗，提高蓄水保墒性能，又能促进土壤熟化，土壤养分得到释放，改善了土壤团粒结构，使整个耕层营养物质充实均匀，杂草病虫减少。而连续深松(CK2)能够增加水分入渗，保护土壤，增加蓄水能力，产量仅次于RT2，也是本地区比较适宜的耕作模式。由于黄土旱塬半湿润易旱区土壤和生态类型多样，可根据不同地区和生态状况，选择适宜的耕作模式，达到蓄水纳墒、 增产增收的目的。

前人研究表明，深松作为保护性耕作的重要技术之一，能够有效促进降水入渗，且具有极好的保水、 保土和增产增收的效果[29-35]。本研究RT2、RT3和CK2模式较其他耕作模式在蓄雨纳墒及提高作物籽粒产量、 水分利用效率(WUE)、 经济效益等效应方面表现较优，在RT2、RT3和CK2模式中，均采用了深松措施，也再次证明了深松的良好效果。在黄土旱塬未来的耕作模式构建中，深松措施将继续扮演重要的角色。

总之，“深松→翻耕”轮耕模式在水分利用效率和经济效益等能够综合表征资源利用效果的指标上表现最优，连年深松模式位居其次，它们均可作为试验区域周围地区及黄土旱塬类似地区值得推荐的土壤耕作模式。

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Studyonsoilwaterstorage,cropyieldsandincomesunderdifferentsoiltillagepatternswithbalancefertilizationintheLoessDrylandregion

WANGYu-ling1, 2,LIJun1*

(1 College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100，China;2HenanInstituteofScienceandTechnology,Xinxiang,Henan453003,China)

【Objectives】Thesemi-humidandprone-to-droughtLoessDrylandisatypicalrainfedagriculturalregion,wherethemostlycommoncropsystemisonceayearoronceeverytwoyears.Reasonablerotationoftillagesystemsisimportantinmaintainingthesustainabledevelopmentoffarmlandecosystem,thestudyonwhichwillprovidebaseforefficientcropproduction. 【Methods】Along-termfieldexperimentwasconductedtoinvestigatetheeffectsoftillagepatternsonyields,wateruseefficiency(WUE)andeconomicbenefitsofwinterwheatandspringmaizefrom2007to2011inHeyangCounty,ShaanxiProvince.Thetillagepatterntreatmentsincluded:ploughing→no-tillage→ploughing→no-tillage(RT1),subsoiling→ploughing→subsoiling→ploughing(RT2),no-tillage→subsoiling→no-tillage→subsoiling(RT3),no-tillage→ploughing→subsoiling→no-tillage(RT4),andploughingin4years(CK1),subsoilingin4years(CK2), 3no-tillagein4years(CK3)forcomparisonpropose.Thesoilwaterstorageandwatercontentinthe0-200cmsoillayer,thecropyields,wateruseefficiencyandeconomicbenefitsweremeasured. 【Results】 1)Duringthefallowperiod,thehighestsoilwaterstoragewasinRT3,followedbyRT2.ThesoilwaterstorageinallthefourtreatmentswassignificantlyhigherthaninCK1,thatinRT3wasalsosignificantlyhigherthaninCK3,andthedifferencebetweenCK2andRT3wasnotsignificant.ThehighestsoilwatercontentwasalsofoundinRT3. 2)Duringwinterwheatgrowthperiod,allsoilwaterstorageandsoilwatercontentinRT3andCK2werehigherthaninothertreatments. 3)Duringspringmaizegrowthperiod,boththesoilwaterstoragesandcontentsinRT3andCK3werehigherthaninothertreatments. 4)BothRT2andCK2showedthebesteffectsinincreasingcropgrainyields,wateruseefficienciesandeconomicbenefits.ComparedwithCK1,CK2andCK3,thefouryears’averagecropgrainyieldsinRT2increasedby10.2%, 3.6%and17.1%,thenetincomesby23.6%, 6.8%and28.3%,andWUEby9.7% (P<0.05), 4.3%and18.6% (P<0.05),respectively.【Conclusions】AlthoughtheRT2isnotthebestinsavingsoilwater,itisbestinimprovingWUE,cropyieldsandeconomicbenefits.CK2producesthehighestwaterinfiltration,water-holdingcapacityandsoil-protectingcapacity,althoughitscropyieldsisnotashighasRT2.Consideringthelocalconditions,RT2andCK2arerecommendedassuitablesoiltillagepatternsinthetesteddryplateauarea.

loessdryland;tillagepatterns;soilwater;cropyield;wateruseefficiency

2014-06-26接受日期: 2014-09-09网络出版日期: 2015-05-14

国家“863”项目(2013AA102902); 公益性行业(农业)科研专项(201303104); “十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAD29B03); 国家自然科学基金项目(30771280，31071374)资助。

王玉玲(1982—)，女， 河南沈丘人，讲师，主要从事高效农作制度和作物高产栽培研究。E-mail:wangyuling634@163.com

E-mail:junli@nwsuaf.edu.cn

S341.1;S512.1+1;S513

A

1008-505X(2016)01-0151-13